JPH09119724A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 着霜を効果的に抑制でき、かつ熱交換性能の
優れた熱交換器を提供する。 【解決手段】 蒸発器１０は、蒸発器前段１０ａと、蒸
発器後段１０ｂと、キャピラリチューブ３とを備える。
このキャピラリチューブ３が、蒸発器１０内における冷
媒の温度低下手段として機能する。好ましくは、蒸発器
前段１０ａと蒸発器後段１０ｂとを接続する配管経路内
に、切換弁２と、管路１ｃとが設けられる。そして、除
霜時には、切換弁２を操作することにより、蒸発器前段
１０ａを通過した冷媒が直接蒸発器後段１０ｂ内に送り
込まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱交換器に関
し、特に、液化冷媒を内部で蒸発させることにより周囲
の熱を吸収する熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、高温流体と低温流体とが固体
壁を介して接することにより、低温流体の加熱、高温流
体の冷却を行なう熱交換器は知られている。このような
熱交換器は、たとえば、冷凍サイクルなどにおいて、蒸
発器あるいは凝縮器として用いられる。

【０００３】図７は、従来から一般に知られている冷凍
サイクルの一例を示すブロック図である。図７を参照し
て、蒸発器１０と、コンプレッサ（圧縮機）２０と、凝
縮器３０と、キャピラリチューブ（減圧器）４０とが、
冷媒が循環する管路によって各々接続されている。そし
て、図７において、矢印の方向に冷媒を循環させること
により、冷凍サイクルが行なわれることとなる。

【０００４】次に、図７および図８を用いて、上記の冷
凍サイクルの作用について説明する。図８は、図７に示
される冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（以下、単
に、「Ｐ−ｈ線図」と称する）を示す図である。なお、
図８において、７ａは飽和液線を示し、７ｂは飽和蒸気
線を示している。

【０００５】ここで再び図７を参照して、蒸発器１０か
ら排出された低温，低圧の気化冷媒をコンプレッサ２０
内に送り込み、このコンプレッサ２０内において気化冷
媒を断熱圧縮する。それにより、図８に示されるよう
に、エンタルピの値はｈ１からｈ２へと変化する。次
に、図７に示されるように、上記のようにして圧縮され
た気化冷媒を凝縮器３０内に送り込む。そして、凝縮器
３０内において気化冷媒を凝縮し、放熱させる。それに
より、凝縮器３０内において気化冷媒は等圧液化され、
図８に示されるように、エンタルピの値はｈ２からｈ３
へと変化する。

【０００６】その後、上記のようにして液化された冷媒
を、図７に示されるように、キャピラリチューブ４０内
に送り込む。そして、このキャピラリチューブ４０内に
おいて断熱膨張させる（図８におけるｈ３→ｈ４）。そ
の後、図７に示されるように、キャピラリチューブ４０
を通過した冷媒が蒸発器１０内に送り込まれる。それに
より、冷媒は蒸発器１０内において低圧蒸発し、その際
に周囲から熱を奪う。それにより、図８に示されるよう
に、エンタルピの値はｈ４からｈ１へと変化する。

【０００７】このように、蒸発器１０内において冷媒が
蒸発することにより周囲から熱を奪って冷却動作を行な
うが、その冷却動作を効率的に行なうべく蒸発器１０の
構造にはさまざまな工夫が施されてきている。図９に
は、蒸発器１０の構造の一例が示されている。なお、図
９において、４は蒸発器１０内への冷媒の導入／排出方
向を示している。

【０００８】図９を参照して、蒸発器１０は、冷媒が流
れる管路１２とフィン１１とを備える。冷媒はこの管路
１２内を順次通過し、その間に気化して管路１２ととも
にフィン１１を冷却する。そして、周囲の空気がこのフ
ィン１１の近傍を通過することにより熱を奪われ冷却さ
れることとなる。この際、図９に示されるように多数の
フィン１１を備えることにより、効率的に熱交換が行な
え、周囲の空気を効率的に冷却することが可能となる。
上記のように蒸発器１０内において周囲から熱を奪った
冷媒は気化し、再びコンプレッサ２０内に送り込まれる
こととなる。このようなサイクルが繰返されることによ
り、冷却動作が行なわれることとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の蒸発器１０には、次に説明するような問題点が
あった。その問題点について、図８〜図１０を用いて説
明する。図１０は、蒸発器１０内における温度勾配を有
する冷媒を用いた場合の従来の冷凍サイクルのＰ−ｈ線
図を示している。

【００１０】一般に、蒸発器１０内を通過する冷媒の温
度が低いほど蒸発器１０の冷却能力は向上する。したが
って、蒸発器１０内に送り込まれる冷媒の温度は低く設
定するほうが好ましいといえる。

【００１１】しかし、上述の従来の冷凍サイクルにおい
て、単純に蒸発器１０内に送り込まれる冷媒の温度をた
とえば約０℃より低く設定した場合には、図９に示され
るフィン１１間に着霜し、フィン１１間を通過する空気
の流れを妨げることとなる。それにより、蒸発器１０の
冷却能力が著しく低下するという問題点があった。その
ため、従来では、図８に示されるように、蒸発器１０内
に送り込まれる冷媒の温度を０℃よりも高めに設定して
いた。そのため、蒸発器１０の冷却能力が十分であると
は言えなかった。

【００１２】上記のような問題は、図１０に示されるよ
うな温度勾配を有する冷媒を使用する場合にはさらに顕
著なものとなる。図１０を参照して、蒸発器１０の冷却
能力をある程度確保しようとするには、図中点線で示さ
れるレベルにまで冷媒温度を下げることが好ましい。し
かし、この場合には図１０において領域９内に示される
ように、蒸発器１０の入口近傍において冷媒の温度が０
℃を下回ってしまう。そのため、蒸発器１０の入口付近
で、着霜が生じてしまう。その結果、図１０における実
線で示されるように、蒸発器１０内に送り込まれる冷媒
の温度を高めに設定する必要がある。そのため、蒸発器
１０の冷却能力が、図８に示される場合よりのさらに低
下するという問題点があった。

【００１３】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものである。この発明の目的は、着霜を
効果的に抑制でき、かつ熱交換性能をも向上させること
が可能となる熱交換器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る熱交換器
は、液化冷媒を内部で蒸発させることにより周囲の熱を
吸収するものであり、熱交換器内に冷媒の温度を低下さ
せる冷媒温度低下手段を備える。

【００１５】このように、冷媒温度低下手段を備えるこ
とにより、熱交換器内において冷媒の温度を適宜低下さ
せることが可能となる。それにより、熱交換器内に送り
込まれる冷媒の温度をやや高め（たとえば約５℃程度）
に設定することが可能となる。そして、このやや高めの
温度の冷媒が流れる熱交換器の前段部分において、熱交
換器内に送り込まれる空気を予め除湿することが可能と
なる。その後、冷媒温度低下手段によって冷媒の温度が
低められ、この低温の冷媒が熱交換器の後段部分に送り
込まれる。そのため、熱交換器の後段部分において優れ
た熱交換性能が発揮される。このとき、上記のようにあ
る程度除湿された空気が熱交換器の後段部分を通過する
ので、冷媒の温度を従来例よりも低め（たとえば０℃近
傍）に設定したとしても、後段部分における着霜を効果
的に抑制することが可能となる。以上のことより、この
発明によれば、着霜を効果的に抑制できかつ優れた熱交
換性能を有する熱交換器が得られる。それにより、熱交
換器の小型化も可能となる。

【００１６】なお、冷媒温度低下手段の一例としてはキ
ャピラリチューブを挙げることができる。また、熱交換
器内には、冷媒が順次通過する第１と第２の管路が設け
られ、上記のキャピラリチューブと第１の管路の間に切
替弁が設けられ、この切替弁と第２の管路の間に上記の
キャピラリチューブと並列に第３の管路が設けられるこ
とが好ましい。それにより、熱交換器の後段部分におい
て霜がある程度成長したとしても、切替弁を操作するこ
とによって熱交換器の前段部分に送り込まれたやや高め
の温度の冷媒をそのまま第３の管路内を通過させて熱交
換器の後段部分に送り込むことが可能となる。それによ
り、熱交換器の後段部分を効果的に除霜することが可能
となる。つまり、上記の第３の管路を設けることによ
り、必要に応じて適宜熱交換器の除霜を行なうことが可
能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図６を用いて、この
発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明
の１つの実施の形態における蒸発器１０を示す模式図で
ある。図２は、図１に示される蒸発器の概略構成を示す
ブロック図である。図３は、図１に示される蒸発器１０
が組込まれた冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。図４
は、図１に示される蒸発器１０が組込まれた冷凍サイク
ルの除霜時におけるＰ−ｈ線図を示している。

【００１８】まず図１を参照して、この発明に係る蒸発
器１０は、たとえば図７に示される冷凍サイクル内で使
用されるものであり、切替弁２，キャピラリチューブ３
およびこのキャピラリチューブ３と並列に設けられた管
路１ｃを介在して接続された蒸発器前段１０ａと蒸発器
後段１０ｂとを有する。蒸発器前段１０ａ内には管路１
ａ（第１の管路）が配設され、蒸発器後段１０ｂ内には
管路１ｂ（第２の管路）が配設される。そして、管路１
ａと管路１ｂとを接続する配管経路内に、上記の切替弁
２と、管路１ｃ（第３の管路）と、キャピラリチューブ
３とが設けられる。

【００１９】次に、上記の図１〜図３を用いて、冷媒が
流れる経路とその作用について説明する。図１と図２と
を参照して、断熱膨張した冷媒が、矢印４に従って蒸発
器前段１０ａ内に送り込まれる。このとき、冷媒の温度
（蒸発温度）は、やや高め（たとえば約５℃）に設定さ
れる。このような冷媒が、蒸発器前段１０ａ内の管路１
ａ内を通過する。一方、図１に示されるように、空気
は、矢印５に従って蒸発器１０内に送り込まれる。そし
て、蒸発器前段１０ａを上記の空気が通過することによ
り除湿される。つまり、蒸発器前段１０ａは蒸発器１０
の除湿部としての機能を有する。

【００２０】次に、蒸発器前段１０ａを通過した冷媒
は、図２に示されるように、除霜切替部２ａに到達す
る。これが、図１における切替弁２に相当する。そし
て、通常の冷却作用を行なう場合には、図２に示される
ように、付加キャピラリ部３ａを通して蒸発器後段１０
ｂに冷媒が送り込まれる。この付加キャピラリ部３ａが
図１におけるキャピラリチューブ３に相当する。このよ
うに、付加キャピラリ部３ａを冷媒が通過することによ
り、冷媒の温度が低められる。具体的には、約０℃近傍
にまで冷媒の温度を低下させることが可能である。この
様子が図３の領域８内に示されている。

【００２１】上記のようにして温度が低められた冷媒
が、蒸発器後段１０ｂに送り込まれることとなる。この
ように冷媒の温度を低下させることにより、蒸発器後段
１０ｂで効率的に周囲から熱を吸収することが可能とな
る。このとき、蒸発器後段１０ｂには、０℃近傍にまで
温度が低められた低温の冷媒が送り込まれるが、蒸発器
後段１０ｂを通過する空気は予め蒸発器前段１０ａを通
過する際にある程度除湿されているため、蒸発器後段１
０ｂにおける霜の成長の程度は従来例の場合よりも格段
に抑制される。その結果、蒸発器１０内における着霜を
効果的に抑制することが可能となる。また、蒸発器１０
内において、冷媒の温度を０℃近傍にまで低めることが
できるので、従来例に比べて、冷却性能も格段に向上さ
せることが可能となる。

【００２２】上述のように、蒸発器１０における実質的
な冷却部として機能する蒸発器後段１０ｂにおける着霜
は効果的に抑制されるが、この蒸発器後段１０ｂにおい
てもある程度霜が成長することも考えられる。その場合
には、除霜を行なう必要がある。ここで再び図２を参照
して、除霜を行なうには、除霜切替部２ａによって冷媒
の流路を切替え、蒸発器前段１０ａを通過した冷媒をそ
のまま蒸発器後段１０ｂ内に送り込む。具体的には、図
１において、切替弁２によって冷媒の流路を切替え、管
路１ｃを通して蒸発器後段１０ｂ内に冷媒を送り込む。
つまり、矢印６に従って冷媒がキャピラリチューブ３を
通過することなく蒸発器後段１０ｂ内に送り込まれるこ
ととなる。この冷媒は、上述のように、やや高めにその
温度が設定されているため、この冷媒を蒸発器後段１０
ｂ内に送り込むことにより、除霜を行なうことが可能と
なる。このように、除霜を行なっている状態が図４に示
されている。

【００２３】（変形例）次に、図５および図６を用い
て、上記の実施の形態の変形例について説明する。図５
は、この変形例における蒸発器の概略構成を示すブロッ
ク図である。図６は、この変形例における蒸発器が組込
まれた冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。なお、この図
６においては、蒸発器１０内における温度勾配を有する
冷媒（たとえば非共沸混合冷媒）を使用した場合のＰ−
ｈ線図が示されている。

【００２４】まず図５を参照して、本変形例では、除霜
切替部２ａと、除霜時の冷媒の迂回路（管路１ｃ）が設
けられていない。それ以外の構成に関しては図２に示さ
れる場合と同様である。このような構成を有する蒸発器
１０は、蒸発器１０内における温度勾配を有する冷媒を
使用する際に有効である。

【００２５】図６に示されるように、やや高めの温度の
冷媒を蒸発器前段１０ａ内に送り込み、付加キャピラリ
部３ａを通過させて冷媒の温度を適当な段階で低下させ
る。図６では、領域８内において、付加キャピラリ部３
ａによって冷媒の温度が低下されている様子が示されて
いる。

【００２６】上記のように、蒸発器１０の内部において
適当な段階で冷媒の温度を低下させることにより、蒸発
器１０内における温度勾配を有する冷媒を使用した場合
でも、蒸発器１０の冷却性能を従来例に比べて向上させ
ることが可能となる。具体的には、図６に示される場合
では、蒸発器１０の後段において、図１０に示される従
来例における着霜が問題となる場合と同等の冷却性能が
得られることとなる。

【００２７】なお、上記の実施の形態では、冷媒の温度
低下手段の一例としてキャピラリチューブ（付加キャピ
ラリ部３ａ）３を設ける場合について説明したが、それ
以外の手段で蒸発器１０内における冷媒の温度を低下さ
せるものであってもよい。また、図１および図２に示さ
れる蒸発器１０を非共沸混合冷媒を用いる場合に使用し
てもよい。

【００２８】以上、本発明の実施の形態について説明を
行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、
特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての
変更が含まれることが意図される。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る熱
交換器によれば、熱交換器内において適宜冷媒の温度を
低下させることが可能となる。それにより、やや高めの
温度（たとえば約５℃）の冷媒を熱交換器内に送り込
み、熱交換器内において約０℃近傍にまで冷媒の温度を
低下させて効率的に熱交換を行なうことが可能となる。
このとき、熱交換器の前段部分に上記のやや高めの温度
の冷媒を流し、熱交換器の後段部分において低温の冷媒
を流すことにより、前段部分において除湿された空気が
後段部分に送り込まれることとなる。それにより、低温
の冷媒が流れる後段部分における着霜を効果的に抑制す
ることが可能となる。なお、前段部分においては、やや
高めの温度の冷媒が流れるため、着霜の心配はほとんど
ない。このように、着霜を効果的に抑制でき、かつ従来
例よりも熱交換性能を向上させることが可能となる。ま
た、熱交換性能を向上させることができるので、熱交換
器を小型化することも可能となる。さらに、本発明は、
蒸発過程において温度勾配を有する混合冷媒を使用する
熱交換器にも適用可能であり、この場合には特に熱交換
性能を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１つの実施の形態における蒸発器を
示す模式図である。

【図２】図１に示される蒸発器の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】図１に示される蒸発器が組込まれた冷凍サイク
ルの冷却動作時におけるＰ−ｈ線図である。

【図４】図１に示される蒸発器が組込まれた冷凍サイク
ルの除霜時におけるＰ−ｈ線図である。

【図５】図１に示される蒸発器の変形例の概略構成を示
すブロック図である。

【図６】図５に示される変形例における蒸発器が組込ま
れた冷凍サイクルのＰ−ｈ線図である。

【図７】冷凍サイクルの一例を示すブロック図である。

【図８】共沸冷媒を使用した従来の冷凍サイクルのＰ−
ｈ線図である。

【図９】従来の蒸発器の一例を示す斜視図である。

【図１０】非共沸混合冷媒を用いた場合の従来の冷凍サ
イクルのＰ−ｈ線図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ 管路 ２ 切替弁 ３，４０ キャピラリチューブ １０ａ 蒸発器前段 １０ｂ 蒸発器後段

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】上記のような問題は、図１０に示されるよ
うな温度勾配を有する冷媒を使用する場合にはさらに顕
著なものとなる。図１０を参照して、蒸発器１０の冷却
能力をある程度確保しようとするには、図中点線で示さ
れるレベルにまで冷媒温度を下げることが好ましい。し
かし、この場合には図１０において領域９内に示される
ように、蒸発器１０の入口近傍において冷媒の温度が０
℃を下回ってしまう。そのため、蒸発器１０の入口付近
で、着霜が生じてしまう。その結果、図１０における実
線で示されるように、蒸発器１０内に送り込まれる冷媒
の温度を高めに設定する必要がある。そのため、蒸発器
１０の冷却能力が、図８に示される場合よりさらに低下
するという問題点があった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名迫 賢二 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化冷媒を内部で蒸発させることにより
   周囲の熱を吸収する熱交換器であって、 前記熱交換器内に前記冷媒の温度を低下させる冷媒温度
   低下手段を設けたことを特徴とする、熱交換器。
2. 【請求項２】 前記熱交換器は、冷媒が順次通過する第
   １と第２の管路を内部に有しており、 前記冷媒温度低下手段はキャピラリチューブであり、 前記キャピラリチューブは前記第１と第２の管路を接続
   する配管経路内に取付けられる、請求項１に記載の熱交
   換器。
3. 【請求項３】 前記キャピラリチューブと前記第１の管
   路の間に位置する前記配管経路には切替弁が設けられ、 前記切替弁と前記第２の管路の間には、前記キャピラリ
   チューブと並列に第３の管路が設けられ、 前記切替弁を操作することにより、前記第１の管路を通
   過した前記冷媒は、前記キャピラリチューブ内あるいは
   前記第３の管路内に選択的に送り込まれる、請求項２に
   記載の熱交換器。